mardi 5 septembre 2023

MIDI OUT avec le Raspberry Pi Pico (Micropython)

Ce projet consiste à utiliser un Raspberry Pi Pico programmé en Micropython, afin d'envoyer des instructions MIDI à un clavier musical. Le synthétiseur du clavier jouera la musique ayant préalablement été programmée dans le Raspberry Pi Pico.

Circuit

La norme MIDI (Musical Instrument Digital Interface) a été mise au point au début des années 1980 afin de permettre la communication entre divers instruments de musique électronique.

À l'origine, tous les appareils communiquaient en utilisant un niveau logique de 5 V mais puisque le Raspberry Pi Pico (comme la majorité des microcontrôleurs actuels) utilise plutôt un niveau logique de 3,3 V, nous utiliserons le circuit que je vous ai présenté dans le récent article intitulé Fabrication d'un module MIDI (IN et OUT) pour microcontrôleur 3,3 V.

Le circuit est très simple et peut être rapidement monté sur une breadboard. Le seul composant "spécialisé" étant un connecteur DIN-5 femelle dans lequel sera inséré le câble MIDI branché au clavier­. La numérotation des broches de ce connecteur est présenté sur la photographie ci-dessous.

  • Une résistance de 10 Ω est insérée entre la broche GP4 du Raspberry Pi Pico et la broche numéro 5 du connecteur DIN-5 femelle.
  • La broche 2 du connecteur DIN-5 femelle est branchée à une des broches GND du Raspberry Pi Pico.
  • Une résistance de 33 Ω est insérée entre la broche 4 du connecteur DIN-5 femelle et la sortie 3,3 V du Raspberry Pi Pico.  Attention: on recommande une résistance de 0,5 W.  (Pour cette raison, j'ai plutôt utilisé deux résistances de 68 Ω en parallèle)­.

Ce circuit est inspiré des recommandations de la MIDI Association.

Un câble MIDI est inséré dans le connecteur DIN5, et l'autre extrémité du câble est inséré dans le jack MIDI IN du clavier musical.

Script en Micropython #1

Commençons par présenter un script très simple, en Micropython, pour illustrer la procédure: il se contente de ne jouer qu'une seule note.

Les spécifications du protocole MIDI imposent une communication série à une vitesse de 31 250 bauds. Cette vitesse est réglée au début du programme (ligne #15) lorsque nous initialisons le bus UART #1 du Raspberry Pi, qui est lié aux broches GP4 (TX) et GP5 (RX). Dans ce projet, nous n'utilisons que la broche GP4, qui sert à la transmission des données (GP5 serait utile si nous devions recevoir des données, ce qui n'est pas le cas ici).

À la ligne #18, nous réglons le "programme" du synthétiseur, c'est à dire le timbre qui sera utilisé. La norme "General MIDI" définit 128 timbres correspondant à l'imitation d'un instrument de musique. Par exemple, le timbre numéro 57 correspond à un son de trompette. De plus, vous disposez de 16 canaux, chacun de ces canaux pouvant être réglé à son propre timbre (sauf le canal 10, qui est réservé aux percussions).

À la ligne #18, donc, nous assignons un son de trompette au canal 1.  Pour ce faire, nous envoyons un premier octet qui envoie l'instruction "program change" ainsi que le numéro du canal auquel il faut assigner ce timbre:

  • Le nombre hexadécimal C0 modifie le timbre du canal 1
  • Le nombre hexadécimal C1 modifie le timbre du canal 2
  • Le nombre hexadécimal C2 modifie le timbre du canal 3
  • ...
  • Le nombre hexadécimal CF change le timbre du canal 16

Vous l'avez peut-être remarqué: la numérotation officielle des canaux, qui s'adresse aux musiciens plutôt qu'aux programmeurs, va du canal 1 au canal 16 mais dans un programme, nous utilisons les numéros 0 à 15...

Cette instruction est suivie d'un deuxième octet (ligne #19) qui contient le numéro du timbre. Ici encore, les timbres sont officiellement numérotés de 1 à 128 mais nos programmes utilisent une numérotation de 0 à 127. Pour cette raison, nous envoyons "56" parce que la trompette est l'instrument numéro 57!

Pour jouer une note, nous envoyons un message de type "Note On":

  • Le nombre hexadécimal 90 joue une note dans le canal 1
  • Le nombre hexadécimal 91  joue une note dans le canal 2
  • Le nombre hexadécimal 92  joue une note dans le canal 3
  • ...
  • Le nombre hexadécimal 9F  joue une note dans le canal 16

À la ligne #22, nous avons donc envoyé l'instruction 90, en hexadécimal, afin de jouer une note dans le canal 1. 

Il faut aussi lui indiquer quelle note il faut jouer (ligne #23). Le Do4, par exemple, correspond au numéro 60 (voir cette page pour tous les numéros de notes).

Ensuite (ligne #24), il faut envoyer un troisième octet qui indique la vélocité de la note. Plus ce nombre est élevé, plus le volume du son est élevé. 127 représente le maximum.

Nous maintenons ensuite cette note pendant 2 secondes (ligne #26).

En MIDI, il faut envoyer une instruction qui demande explicitement de cesser de jouer la note: c'est le message "note off", qui est très similaire  au message "note on", sauf qu'on remplace le 9 par un 8:

  • Le nombre hexadécimal 80 interrompt une note dans le canal 1
  • Le nombre hexadécimal 81  interrompt une note dans le canal 2
  • Le nombre hexadécimal 82  interrompt une note dans le canal 3
  • ...
  • Le nombre hexadécimal 8F  interrompt une note dans le canal 16

La ligne #29 envoie donc un message "note off" au canal 1.

Il faut ensuite spécifier le numéro de la note qu'on désire interrompre, et il est bien sûr important d'utiliser le même numéro que celui a servi dans le message "note on"! À la ligne #30, nous interrompons la note numéro 60, qui est le do4 qui joue depuis maintenant 2 secondes.

Nous spécifions finalement la vélocité, qui est typiquement nulle pour un message de type "note off". (ligne #31).  (Notez qu'un message "note on" de vélocité nulle aurait eu le même effet qu'on message "note off".)

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Script en Micropython #2

Ce deuxième script joue une mélodie à la basse dans le canal #1, tout en jouant de la batterie dans le canal #10. Ça joue en boucle jusqu'à l'interruption du programme.

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Bibliothèque Micropython-midi-library

Pour des applications plus sérieuses, vous serez peut-être intéressés par la Micropython-midi-library de sensai7. 


À lire également


Yves Pelletier

lundi 4 septembre 2023

Fabrication d'un module MIDI (IN et OUT) pour microcontrôleur 3,3 V

Il y a quelques années, j'avais fabriqué un module MIDI permettant de brancher un clavier MIDI à une carte Arduino, qui m'a été bien utile dans un grand nombre de petits projets musicaux. Ce circuit, toutefois, est conçu pour une logique à 5 V alors que, de nos jours, mes intérêts s'orientent surtout vers des microcontrôleurs qui fonctionnent avec une logique à 3,3 V. J'ai donc fabriqué une nouvelle interface MIDI, qui me permettra de faire de nouvelles expérimentations musicales avec, entre autres, mon Raspberry Pi Pico!

Ce nouveau module comporte un circuit "MIDI OUT" qui permettra à un microcontrôleur d'envoyer des instructions MIDI par une sortie UART, ainsi qu'un circuit "MIDI IN" qui permettra à un microcontrôleur de recevoir des messages MIDI par une entrée UART.

Évidemment, si vous préférez, vous pouvez trouver en lignes des modules MIDI déjà prêts à être utilisés (parfois munis d'un commutateur permettant de sélectionner une logique à 5 V ou à 3,3 V).

Connecteurs MIDI

Mon module est muni de deux connecteurs DIN 5 femelles (communément appelées "connecteurs MIDI). La numérotation des broches de ces connecteurs est parfois ambigüe, d'une part parce qu'elles ne sont pas numérotées dans l'ordre, et d'autre part parce que les schémas n'indiquent pas toujours clairement s'ils montrent le connecteur mâle ou le connecteur femelle. La photo ci-dessous montre le numéro des broches d'une façon qui me semble claire.


Connections avec le microcontrôleur

Pour faire la liaison avec le microcontrôleur, notre module MIDI doit comporter quatre connecteurs:

  • Connexion avec l'alimentation 3,3 V (sortie 3,3 V du microcontrôleur)
  • Connexion avec la masse (GND) du microcontrôleur
  • Connexion avec la broche RX (UART) du microcontrôleur
  • Connexion avec la broche TX (UART) du microcontrôleur
Bien entendu, vous utilisez le type de connecteur (mâle ou femelle) qui répond le mieux à vos besoins.


Circuits

Nul besoin de réinventer la roue: la MIDI Association présente sur son site officiel les schémas des circuits recommandés.

Le circuit "MIDI OUT" est le plus simple des deux circuits, puisqu'il ne nécessite rien d'autre que deux résistances.

  • Une résistance de 10 Ω (1/4 W) est insérée entre la broche 5 du connecteur MIDI (DIN-5) et la broche TX (UART) du microcontrôleur.
  • La broche 2 du connecteur MIDI (DIN-5) est directement connectée à la masse GND.
  • Une résistance de 33 Ω (1/2 W) est insérée entre la broche 4 du connecteur MIDI (DIN-5) et la sortie 3,3 V du microcontrôleur. Puisque je n'avais pas de résistance de 1/2 W sous la main, j'ai plutôt utilisé deux résistances de 68 Ω (1/4 W) en parallèle.
  • Les broches 1 et 3 du connecteur MIDI (DIN-5) ne sont pas connectées.

Circuit MIDI OUT

Le circuit "MIDI IN" n'est pas beaucoup plus complexe, mais il nécessite des composants un peu plus variés: un optocoupleur, une diode et deux résistances.

L'optocoupleur doit pouvoir réagir à une tension de 3,3 V, et avoir un temps de réaction suffisamment court. J'ai utilisé un H11L1. 


Cette fois, seules les broches 4 et 5 du connecteur MIDI (DIN-5) sont utilisées. Les broches 1, 2 et 3 ne sont pas connectées.

  • La broche 1 du H11L1 est branchée à une résistance de 220 Ω, qui est elle-même connectée à la broche 4 du connecteur MIDI (DIN-5).
  • La broche 2 du H11L1 est branchée à la broche 5 du connecteur MIDI (DIN-5).
  • De plus, une diode pour petits signaux 1N914 est branchée entre les broches 1 et 2 du H11L1.
  • La broche 3 du H11L1 n'est pas connectée.
  • La broche 4 du H11L1 est reliée à l'entrée RX (UART) du microcontrôleur, ainsi qu'à une résistance pull-up de 470 Ω qui est elle-même reliée à l'alimentation 3,3 V.
  • La broche 5 du H11L1 est reliée à la masse GND.
  • La broche 6 du H11L1 est reliée à l'alimentation 3,3 V.
(Attention, si l'optocoupleur que vous utilisez n'est pas un H11L1, son brochage pourrait être différent.)

Circuit MIDI IN

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Yves Pelletier

mardi 29 août 2023

Magnétomètre/boussole HMC5883L et Raspberry Pi Pico (Micropython)

Dans cet article, nous utilisons un module HMC5883L relié à un Raspberry Pi Pico programmé en Micropython, afin de fabriquer une boussole électronique.


Le circuit intégré HMC5883L de la compagnie Honeywell permet de mesurer les 3 composantes (x, y, z) du champ magnétique dans lequel il se trouve. Il existe sur le marché plusieurs module ("breakout") faciles à connecter à un microcontrôleur. Celui que j'ai utilisé comporte 5 connecteurs identifiés VCC, GND, SCL, SDA et DRDY.


Installation du pilote micropython-rp2040-hmc5883l

Il existe quelques sur github quelques pilotes destinés à l'utilisation d'un module HMC5883L, qui semblent tous à peu près identiques. J'ai choisi micropython-rp2040-hmc5883l par SindormirNet. Il faut copier le fichier hmc5883l.py dans la mémoire du Raspberry Pi Pico.


Connexions

J'ai branché le module HMC5883L au Raspberry Pi Pico de cette façon:

  • Broche VCC du module HMC5883L: sortie 3,3 V du Raspberry Pi Pico
  • Broche GND du module HCM5883L: une des broches GND du Raspberry Pi Pico
  • Broche SCL du module HMC5883L: broche GP1 du Raspberry Pi Pico
  • Broche SDA du module HMC5883L: broche GP0 du Raspberry Pi Pico
  • Broche DRDY du module HMC5883L: pas branché


Script #1 (affichage dans la console)

La bibliothèque hmc5883l.py comporte une méthode "heading" qui calcule l'angle de l'axe x du capteur par rapport au nord...dans l'hypothèse extrêmement optimiste que le capteur ne nécessitera pas de calibration.

Dans les faits, le capteur qui mesure la composante dans la direction x n'aura probablement pas la même sensibilité que celui qui mesure la composante dans la direction y, et un champ magnétique nul ne produira pas nécessairement une mesure nulle.

Le script ci-dessous comporte donc une routine qui sert à calibrer les capteurs: on demande à l'utilisateur de faire tourner le module HMC5883L dans un plan horizontal sur au moins un tour complet. Pendant cette rotation, le script garde en mémoire la valeur maximale et la valeur minimale mesurées par le capteur x et par le capteur y. Les mesures brutes sont ensuite recalculées de façon à atténuer les imperfections des capteurs.

Pour que la direction soit affichée en fonction du nord géographique et non en fonction du nord magnétique, il faut que vous écriviez dans le script la valeur de la déclinaison magnétique là où vous êtes (variable "declinaison", à la ligne 18).

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Boussole autonome

J'ai ensuite ajouté un écran OLED à mon circuit, de façon à obtenir une boussole parfaitement autonome qui ne dépend pas d'un ordinateur pour afficher ses mesures.

Il s'agit d'un écran OLED spi de 128 par 64 pixels.


J'ai branché l'écran OLED au Raspberry Pi Pico de cette façon:

  • Broche GND de l'écran: broche GND du Raspberry Pi Pico
  • Broche VCC de l'écran: sortie 3,3 V du Raspberry Pi Pico
  • Broche DO de l'écran: broche GP6 du Raspberry Pi Pico
  • Broche DI de l'écran: broche GP7 du Raspberry Pi Pico
  • Broche RES de l'écran: broche GP14 du Raspberry Pi Pico
  • Broche DC de l'écran: broche GP15 du Raspberry Pi Pico
  • Broche CS de l'écran: broche GP5 du Raspberry Pi Pico

Script #2 (boussole autonome)

Ce script affiche à l'écran OLED un plan cartésien (qui doit être aligné avec celui qui est imprimé sur le module HMC5883L), et une "aiguille de boussole" qui pointe obstinément vers le nord. Encore une fois, pour qu'elle pointe vers le nord géographique, vous devez modifier la valeur de la variable "declinaison" à la ligne 24, pour qu'elle reflète la valeur de la déclinaison magnétique là où vous êtes.


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Yves Pelletier